DE102013205298A1

DE102013205298A1 - Kolben mit durch Spritzöl gekühltem Kolbenboden

Info

Publication number: DE102013205298A1
Application number: DE102013205298.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Keller; Sascha-Oliver Boczek
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-27
Also published as: CN105051358A; US20160208733A1; DE102013205298B4; WO2014154616A1; BR112015024223A2; CN105051358B; US9828939B2

Abstract

An der dem Kolbenboden zugewandten Endfläche des Pleuels ist ein Reservoir angeordnet, in das Öl eingeleitet wird. Bei der Hubarbeit des Kolbens wirkt das Reservoir als Shaker aus dem das Öl über entsprechende Spritzöffnungen gegen den Kolbenboden ausgeworfen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit durch Spritzöl gekühltem Kolbenboden.
Bei Verbrennungsmotoren mit hoher Leistungsdichte sind besondere Maßnahmen zur Kühlung der Kolben notwendig.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, über im Kurbelraum des Verbrennungsmotors angeordnete Spritzdüsen den Kolben mit kühlendem Spritzöl zu beaufschlagen.
Die DE 25 39 470 A1 zeigt einen derartigen Kolben mit zugeordneter Spritzdüse, wobei das ausgestoßene Spritzöl in den nach unten offenen Kolbeninnenraum gespritzt wird, so dass die dem Kolbeninnenraum zugewandte Unterseite des Kolbenbodens ständig gekühlt wird. Allerdings wird in der DE 25 39 470 A1 aufgezeigt, dass eine derartige Spritzkühlung bei höherer Leistungsdichte des Motors nicht ausreichend ist. Deshalb wird in der DE 25 39 470 A1 vorgeschlagen, am brennraumfernen unteren Ende des Kolbens eine den Pleuelstangendurchtritt ringförmig umschließende Ölauffangwanne anzuordnen, die zumindest einen Teil des gegen die Unterseite des Kolbenbodens gespritzten Öls auffängt und im Verlauf der Bewegungen des Kolbens als Shakerraum wirkt und das aufgefangene Öl erneut gegen den Kolbenboden schleudert.
Damit wird zwar die Kühlung des Kolbens verbessert, jedoch bleibt gleichwohl eine nochmals verstärkte Kühlung erstrebenswert. Insbesondere besteht bei einer Anordnung gemäß der DE 25 39 470 A1 die Schwierigkeit, dass der Spritzstrahl der außerhalb des Bewegungsraumes der Pleuelstange angeordneten Spritzdüse zunächst auf einen exzentrischen Bereich des Kolbenbodens auftrifft, so dass der Kolbenboden zwangsläufig ungleichförmig gekühlt wird.
Die DE 10 2008 055 911 A1 zeigt thermisch hochbelastbare Kolben, welche einen äußeren ringförmigen Kühlkanal nahe des den brennraumseitigen Rand des Kolbenbodens bildenden Feuersteges und der Kolbenringpartie des Kolbens aufweist. In diesen äußeren Kühlkanal kann kühlendes Öl eingespritzt werden, um den thermisch äußerst hochbelasteten Feuersteg und die Kolbenringpartie wirksam zu kühlen. Zur Entleerung des Kühlkanals sind an dessen Innenumfang Radialkanäle vorgesehen, über die der ringförmige äußere Kühlkanal mit einem unterhalb des Zentralbereiches des Kolbenbodens angeordneten Hohlraum kommuniziert. Dieser Hohlraum wirkt nach Art eines Shakerraumes, so dass bei den Hubbewegungen des Kolbens das im Hohlraum aufgenommene Öl ständig gegen die Unterseite des Kolbenbodens geworfen wird. Aus dem Hohlraum wird das Öl durch Öffnungen in Richtung der Gelenkverbindung zwischen Kolben und Pleuelstange ausgeworfen, so dass zusätzlich eine intensive Schmierung dieses Gelenkes gewährleistet werden kann.
Ähnliche Kolben werden in der DE 10 2009 032 916 A1 sowie der DE 10 2009 032 865 A1 dargestellt.
Allerdings muss bei derartigen Kolben hingenommen werden, dass das zur Kühlung des Kolbenbodens dienende Öl zuvor bereits innerhalb des äußeren Kühlkanals große Wärmemengen aufgenommen und dementsprechend eine vergleichsweise hohe Temperatur erreicht hat.
Grundsätzlich bleibt es also wünschenswert, für die Kolbenkühlung verbesserte oder zumindest neue Maßnahmen bzw. Konstruktionen aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem mit dem Kolben gelenkig verbundenen Pleuel ein Spritzöl zunächst aufnehmendes Reservoir mit gegen den Kolbenboden gerichteten Spritzausgängen angeordnet ist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Kolbenboden mit kühlendem Öl aus einem pleuelseitigen Shakerraum zu beaufschlagen, das eine wirksame und gleichmäßige Kühlung des Kolbenbodens sicherstellt.
Da dieser Shakerraum gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ohne Weiteres an einer dem Kolbenboden eng benachbarten Endseite des Pleuels angeordnet werden kann und für die Anordnung der Spritzöffnungen praktisch beliebige Vorgaben möglich sind, lässt sich aufgrund der Erfindung eine besonders wirksame Kühlung des Kolbenbodens bei weitestgehend zentrischer Beaufschlagung mit kühlendem Öl erreichen.
Für die Zuführung des Öls zum Reservoir bestehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten.
Einerseits ist es möglich, das Öl über Kanäle in der Pleuelstange sowie in einer damit antriebsmäßig verbundenen Kurbelwelle zum Reservoir zu leiten, wobei auf diesem Wege gleichzeitig die Gelenkverbindungen zwischen Kurbelwelle und Pleuelstange sowie zwischen Pleuelstange und Kolben geschmiert werden können. Da das zur Kühlung des Kolbenbodens vorgesehene Spritzöl aus dem Reservoir aufgrund der davon ausgeführten Schüttelbewegungen im Verlauf der Kolbenhübe über die Spritzausgänge ausgeschleudert wird, kann bei dieser Anordnung mit vergleichsweise geringem Zuführdruck für das Öl in den vorgenannten Kanälen gearbeitet werden, das heißt der Zuführdruck muss lediglich dafür ausreichend sein, hinreichende Ölmengen zum Reservoir zu leiten, dagegen braucht der Zuführdruck nicht dafür auszureichen, wirksame Spritzstrahlen an den Spritzausgängen zu erzeugen.
Statt der vorgenannten Leitungen in der Kurbelwelle bzw. in der Pleuelstange kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, mittels einer relativ stationär angeordneten Düse Spritzöl während der Kolbenhübe in eine beispielsweise trichterartige Eingangsöffnung des Reservoirs einzuspritzen.
Gemäß einer für eine einfache Herstellung zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung kann das Reservoir als halbrohrförmiges Schalenteil ausgebildet sein, welches an einem den zu kühlenden Kolbenboden zugewandten Endflächenbereich des Pleuels angeordnet ist, wobei die offene Halbrohrseite des Schalenteils pleuelseitig angeordnet und die Längsachse des halbrohrförmigen Schalenteiles einen zur Achse des Verbindungsgelenkes von Pleuel und Kolben zentrierten U-Bogen bilden kann.
Dieses Schalenteil kann beispielsweise als Blechteil ausgebildet sein. Stattdessen ist auch ein Kunststoffschalenteil möglich, weil die thermische Belastung des Reservoirs gering bleibt.
Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
In der Zeichnung zeigt:
1 einen Axialschnitt eines Kolbens mit zugeordnetem Pleuel, wobei die Schnittebene die Achse des Verbindungsgelenkes zwischen Pleuel und Kolben enthält,
2 einen Axialschnitt dieses Kolbens entsprechend der Schnittlinie II-II in 1, und
3 eine perspektivische Ansicht des kolbenseitigen Endes des Pleuels
Gemäß den 1 und 2 besitzt der erfindungsgemäße Kolben 1 einen Kolbenboden 2 mit einer Verbrennungsmulde 3. Der Kolbenboden wird umfangsseitig begrenzt von einem umlaufenden Feuersteg 4, an den sich in axialer Abwärtsrichtung des Kolbens eine umlaufende Ringpartie 5 mit Umfangsnuten zur Aufnahme von nicht dargestellten Kolbenringen anschließt. Unterhalb des Kolbenbodens 2 sind Kolbennaben 6 mit Nabenbohrungen 7 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Kolbenbolzens angeordnet.
Axial zwischen den Kolbennaben 6 ist das kolbenseitige Ende eines Pleuels 8 angeordnet, dessen kolbenseitiges Gelenkauge ebenso wie die Kolbennaben 6 von dem nicht dargestellten Kolbenbolzen durchsetzt wird.
Beim Betrieb wird der Kolben 1 thermisch stark belastet. Deshalb ist radial innerhalb des Feuersteges 4 ein umlaufender Kühlkanal 9 vorgesehen, in den beim Motorbetrieb in weiter unten dargestellter Weise Öl zur Kühlung eingespritzt wird. Außerdem wird die Unterseite des Kolbenbodens 2 beim Motorbetrieb mit kühlendem Spritzöl beaufschlagt. Alternativ könnte die vorliegende Erfindung auch an einem nur durch Anspritzkühlung gekühlten Kolben eingesetzt werden.
Zu diesem Zweck ist auf der dem Kolbenboden 2 zugewandten Seite des kolbenseitigen Endes des Pleuels 8 ein Ölreservoir 10 angeordnet, welches beispielsweise durch eine halbrohrförmige Blechschale 11 gebildet werden kann. Diese Blechschale 11 besitzt eine bogenförmige Längsachse, derart, dass die Schale 11 einen zur Achse A des nicht dargestellten Kolbenbolzens zentrierten U-Bogen bildet und weitestgehend dicht an die die dem Kolbenboden 2 zugewandte Außenseite des kolbenseitigen Endes des Pleuels 8 anschließen kann. Zur Befestigung der Blechschale 11 am Pleuel 8 sind in die Blechschale 11 Höcker 12 eingeprägt, die nach innen zum Pleuel 8 hin vorstehen. Die Höcker 12 sind dazu eingerichtet, an der Außenfläche des Pleuels 8 anzuliegen, wobei die Höhe der Höcker 12 bezogen auf die Blechschale 11 den Abstand der Blechschale 11 vom Pleuel 8 bestimmt. Die auf der Innenseite der Blechschale 11 angeordneten Anlageflächen der Höcker 12 können mit dem Pleuel punktverschweißt sein.
An einem Längsende ist die Blechschale 11 als trichterartiges Maul 13 ausgebildet, während das andere Längsende der Blechschale 11 abgeschlossen ist. Außerdem sind auf der dem Kolbenboden 2 zugewandten Seite der Blechschale 11 ein oder vorzugsweise mehrere Spritzlöcher 14 vorgesehen. Das von der Blechschale 11 gebildete Ölreservoir 10 wirkt mit einer stationär im nicht dargestellten Kurbelraum eines Verbrennungsmotors angeordneten Spritzdüse 15 zusammen, welche während einer vorgegebenen Phase des Arbeitsspiels des Kolbens 1 Öl in das Maul 13 der Blechschale 11 und damit in das Ölreservoir 10 einspritzt. Wenn dann der Kolben 1 während des Arbeitsspiels seinen oberen Totpunkt durchläuft und aufgrund des Richtungswechsels der Kolbenbewegung sehr große Beschleunigungen auftreten, wird das zuvor im Ölreservoir 10 aufgenommene Öl aus den Spritzlöchern 14 auf die zugewandte Unterseite des Kolbenbodens 2 ausgeschleudert. Das Ölreservoir 10 bildet dabei einen Shakerraum, dessen Schüttelbewegungen für den Auswurf des Öls genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind ein Teil, vorzugsweise alle Spritzlöcher, bezogen auf den Pleuelzenit auf der der Eingangsöffnung 13 abgewandten Seite des Schalenteils 11, in einer Umfangsrichtung um die Gelenkachse des Pleuels 8 betrachtet, angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann die Größe von zwei oder mehr Spritzöffnungen (14) in dem Schalenteil (11) entlang einer U-förmigen Längsachse mit zunehmendem Abstand von der Eingangsöffnung (13) zunehmen. Dazu weist das Schalenteil (11) wenigstens eine erste und eine zweite Spritzöffnung (14) auf, wobei die zweite größer als die erste ist und weiter als die erste von der Eingangsöffnung (11) entfernt ist.
Durch beide Maßnahmen wird über die Spritzöffnungen 14 gerade dort am meisten Öl ausgestoßen, wo es am dringensten zur Kühlung gebraucht wird, nämlich auf der dem Spritzstrahl abgewandten Seite des Pleuels. So wird gezielt die Kühlung des der Spritzdüse 15 abgewandten Teils des Kolbenbodens 2 verbessert. Da die abgewandten Bereiche bei reiner Anspritzkühlung mit zunehmendem Abstand von dem Spritzstrahl immer weniger Kühlöl erhalten, tragen beide Maßnahmen zu einer gleichmäßigeren Kühlung des Kolbenbodens 2 bei. Das Kühlöl wird folglich im Reservoir 10 um den Pleuelkopf herumgeleitet und dann vor allem dort freigesetzt, wo die Kühlung des Kolbenbodens allein durch Anspritzen am schwächsten wäre. Unzureichend gekühlte und dadurch übermäßig heiße Bereiche, in denen auftreffendes Öl verkoken und unerwünschte Ölkohle bilden kann, können so vermieden werden.
Im Verlauf des Arbeitsspiels des Kolbens 1 führt das Pleuel 8 relativ zum Kolben 1 Schwenkbewegungen aus, die zu einer Taumelbewegung des Mauls 13 führen, wobei sich gleichzeitig der Abstand zur Spritzdüse 15 verändert. Diese Taumelbewegungen und Abstandsänderungen können zur Steuerung des von der Düse 15 erzeugten Spritzstrahles dienen. Dazu können der Spritzstrahl bzw. die Spritzdüse 15 und das Maul 13 so zueinander ausgerichtet sein, dass der Spritzstrahl nur während einer ersten Phase des Arbeitsspiels des Kolbens in das Maul 13 hinein gerichtet ist, wohingegen er in einer nachfolgenden oder vorangehenden zweiten Phase das Maul 13 verfehlt und entweder den Kolbenboden 2 direkt anspritzt oder vorzugsweise in eine kolbenseitige Öffnung 16 eindringt, die mit dem ringförmigen Kühlkanal 9 kommuniziert, so dass dieser mit kühlendem Öl beliefert wird, welches nachfolgend über die Öffnung 16 oder eine andere nicht dargestellte Öffnung wieder auslaufen kann. Auf diese Weise können mit einer einzigen Öldüse 15 abwechselnd das erfindungsgemäße Ölreservoir 10 befüllt sowie eine konventionelle Anspritz- oder Kanalkühlung bewirkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es jedoch auch möglich, jedem Kolben im Kurbelraum des Motors zwei Spritzdüsen zuzuordnen, wobei eine Spritzdüse zur Befüllung des Ölreservoirs 10 und die andere Spritzdüse zum Anspritzen des Kolbenbodens 2 oder zur Einführung von Öl in die Öffnung 16 bzw. den Kühlkanal 9 dienen.
Je nach Drehrichtung der mit dem Kolben 1 über das Pleuel 8 antriebsverbundenen Kurbelwelle führt das Maul 13 des Ölreservoirs 10 relativ zur Spritzdüse 15 Taumelbewegungen in einander entgegengesetzten Richtungen aus, wobei sich das Maul 13 einerseits in Richtung des Spritzstrahles oder entgegen der Spritzrichtung bewegen kann. Im ersteren Fall kann bei der Befüllung des Reservoirs 10 eine relativ laminare Strömung erzielt werden, während im anderen Fall eine vergleichsweise schnelle Befüllung des Reservoirs 10 ermöglicht wird.
Anstelle einer Blechschale 11 kann auch ein Schalenteil aus einem anderen Material, beispielsweise Kunststoff oder dergleichen, vorgesehen sein, wobei auch thermisch relativ wenig belastbare Materialien möglich sind, weil das Schalenteil 11 einen hinreichenden Abstand vom thermisch hochbelasteten Kolbenboden 2 hat. Bei allen Ausgestaltungen sollte jedoch das Schalenteil 11 relativ flach sein, derart, dass ein relativ geringer Abstand zwischen Kolbenboden und Gelenkachse der Gelenkverbindung von Kolben 1 und Pleuel 8 und dementsprechend eine geringe Kompressionshöhe des Kolbens ermöglicht werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Formen der Kolben beschränkt. Vielmehr ist die erfindungsgemäße Spritzkühlung der Kolbenböden bei beliebigen Kolbenformen, z.B. auch bei Kolben mit brennraumseitig konvex sphärischen Kolbenböden, möglich und vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

1: Kolben
2: Kolbenboden
3: Verbrennungsmulde
4: Feuersteg
5: Ringpartie
6: Kolbennaben
7: Nabenbohrungen
8: Pleuel
9: Kühlkanal
10: Ölreservoir
11: Blechschale
12: Höcker
13: Maul
14: Spritzlöcher
15: Spritzdüse
16: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2539470 A1 [0004, 0004, 0004, 0005]
DE 102008055911 A1 [0006]
DE 102009032916 A1 [0007]
DE 102009032865 A1 [0007]

Claims

Kolben (1), insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einem mit dem Kolben (1) gelenkig verbundenen Pleuel (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Aufnahme von Spritzöl zur Kühlung des Kolbenbodens (2) eingerichtetes Reservoir (10) mit gegen den Kolbenboden (2) gerichteten Spritzausgängen (14) an dem kolbenbodenseitigen Ende des Pleuels (8) angeordnet ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (10) über eine im Pleuel (8) angeordnete Leitung mit Spritzöl belieferbar ist.
Kolben (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (10) eine vorzugsweise trichterartige Eingangsöffnung (13) am Pleuel (8) aufweist, in die bei dem Arbeitsspiel des KolbensSpritzöl mittels einer relativ stationär angeordneten Düse (15) einspritzbar ist.
Kolben (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzdüse (15) und die Eingangsöffnung (13) so zueinander angeordnet sind, dass der Spritzstahl während einer ersten Phase des Arbeitsspiels des Kolbens (1) in die Eingangsöffnung (13) hinein gerichtet ist, wohingegen der Spritzstrahl während einer zweiten Phase des Arbeitsspiels die Eingangsöffnung (13) verfehlt.
Kolben (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (10) als halbrohrförmiges Schalenteil (11) ausgebildet ist, wobei die offene Halbrohrseite pleuelseitig angeordnet und die geschlossene Halbrohrseite mit Spritzöffnungen (14) versehen ist.
Kolben (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das halbrohrförmige Schalenteil (11) eine im Wesentlichen zur Gelenkachse des Verbindungsgelenks zwischen Kolben (1) und Pleuel (18) zentrierte, U-förmige Längsachse aufweist.
Kolben (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenteil (11) wenigstens eine erste und eine zweite Spritzöffnung (14) aufweist, wobei die zweite größer als die erste ist und weiter als die erste von der Eingangsöffnung (13) entfernt ist.
Kolben (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzöffnungen (14) bezogen auf den Pleuelzenit auf der der Eingangsöffnung (13) abgewandten Seite des Schalenteils (11) in einer Umfangsrichtung um die Gelenkachse des Pleuels (8) betrachtet angeordnet sind.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Schalenteils (11) als trichterartiges Maul (13) ausgebildet und das andere Ende geschlossen ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenteil (11) als Blechteil ausgebildet ist.
Kolben (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalenteil als Kunststoffteil ausgebildet ist.
Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Eingangsöffnung (13) verfehlende Spritzstrahl zumindest vorübergehend auf eine kolbenseitige Eingangsöffnung (16) eines im Kolben (1) angeordneten Kühlkanals (9) gerichtet ist.